Abstract Much is still unknown about the neurobiology of Alzheimer’s disease (AD). To better understand AD, we generated 636 ATAC-seq libraries from cases and controls to construct detailed genomewide chromatin accessibility maps of neurons and non-neurons from two AD-affected brain regions, the entorhinal cortex and superior temporal gyrus. By analyzing a total of 19.6 billion read pairs, we expanded the known repertoire of regulatory sequences in the human brain. Multi-omic data integration associated global patterns of chromatin accessibility with gene expression and identified cell-specific enhancer-promoter interactions. Using inter-individual variation in chromatin accessibility, we define cis -regulatory domains capturing the 3D structure of the genome. Multifaceted analyses uncovered disease associated perturbations impacting chromatin accessibility, transcription factor regulatory networks and the 3D genome, and implicated transcriptional dysregulation in AD. Overall, we applied a systematic approach to understand the role of the 3D genome in AD and to illuminate novel disease biology that can advance diagnosis and therapy.

Abstract The human brain is a complex organ comprised of distinct cell types, and the contribution of the 3D genome to lineage specific gene expression remains poorly understood. To decipher cell type specific genome architecture, and characterize fine scale changes in the chromatin interactome across neural development, we compared the 3D genome of the human fetal cortical plate to that of neurons and glia isolated from the adult prefrontal cortex. We found that neurons have weaker genome compartmentalization compared to glia, but stronger TADs, which emerge during fetal development. Furthermore, relative to glia, the neuronal genome shifts more strongly towards repressive compartments. Neurons have differential TAD boundaries that are proximal to active promoters involved in neurodevelopmental processes. CRISPRi on CNTNAP2 in hIPSC-derived neurons reveals that transcriptional inactivation correlates with loss of insulation at the differential boundary. Finally, re-wiring of chromatin loops during neural development is associated with transcriptional and functional changes. Importantly, differential loops in the fetal cortex are associated with autism GWAS loci, suggesting a neuropsychiatric disease mechanism affecting the chromatin interactome. Furthermore, neural development involves gaining enhancer-promoter loops that upregulate genes that control synaptic activity. Altogether, our study provides multi-scale insights on the 3D genome in the human brain.

Abstract Identification of risk variants for neuropsychiatric diseases within enhancers underscores the importance of understanding the population-level variation of enhancers in the human brain. Besides regulating tissue- and cell-type-specific transcription of target genes, enhancers themselves can be transcribed. We expanded the catalog of known human brain transcribed enhancers by an order of magnitude by generating and jointly analyzing large-scale cell-type-specific transcriptome and regulome data. Examination of the transcriptome in 1,382 brain samples in two independent cohorts identified robust expression of transcribed enhancers. We explored gene-enhancer coordination and found that enhancer-linked genes are strongly implicated in neuropsychiatric disease. We identified significant expression quantitative trait loci (eQTL) for 25,958 enhancers which mediate 6.8% of schizophrenia heritability, mostly independent from standard gene eQTL. Inclusion of enhancer eQTL in transcriptome-wide association studies enhanced functional interpretation of disease loci. Overall, our study characterizes the enhancer-gene regulome and genetic mechanisms in the human cortex in both healthy and disease states.

Abstract Brain region- and cell-specific transcriptomic and epigenomic molecular features are associated with heritability for neuropsychiatric traits, but a systematic view, considering cortical and subcortical regions, is lacking. Here, we provide an atlas of chromatin accessibility and gene expression in neuronal and non-neuronal nuclei across 25 distinct human cortical and subcortical brain regions from 6 neurotypical controls. We identified extensive gene expression and chromatin accessibility differences across brain regions, including variation in alternative promoter-isoform usage and enhancer-promoter interactions. Genes with distinct promoter-isoform usage across brain regions are strongly enriched for neuropsychiatric disease risk variants. Using an integrative approach, we characterized the function of the brain region-specific chromatin co-accessibility and gene-coexpression modules that are robustly associated with genetic risk for neuropsychiatric disorders. In addition, we identified a novel set of genes that is enriched for disease risk variants but is independent of cell-type specific gene expression and known susceptibility pathways. Our results provide a valuable resource for studying molecular regulation across multiple regions of the human brain and suggest a unique contribution of epigenetic modifications from subcortical areas to neuropsychiatric disorders.

Nucleotide variants in cell type-specific gene regulatory elements in the human brain are major risk factors of human disease. We measured chromatin accessibility in sorted neurons and glia from 1,932 samples of human postmortem brain and identified 34,539 open chromatin regions with chromatin accessibility quantitative trait loci (caQTL). Only 10.4% of caQTL are shared between neurons and glia, supporting the cell type specificity of genetic regulation of the brain regulome. Incorporating allele specific chromatin accessibility improves statistical fine-mapping and refines molecular mechanisms underlying disease risk. Using massively parallel reporter assays in induced excitatory neurons, we screened 19,893 brain QTLs, identifying the functional impact of 476 regulatory variants. Combined, this comprehensive resource captures variation in the human brain regulome and provides novel insights into brain disease etiology.

Abstract The 3D genome plays a key role in the regulation of gene expression. However, little is known about the spatiotemporal organization of chromatin during human brain development. We investigated the 3D genome in human fetal cortical plate and in adult prefrontal cortical neurons and glia. We found that neurons have weaker compartments than glia that emerge during fetal development. Furthermore, neurons form loop domains whereas glia form compartment domains. We show through CRISPRi on CNTNAP2 that transcription is coupled to loop domain insulation. Gene regulation during neural development involves increased use of enhancer-promoter and repressor-promoter loops. Finally, transcription is associated with gene loops. Altogether, we provide novel insights into the relationship between gene expression and different scales of chromatin organization in the human brain.